一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，讀取各個核磁共振譜圖；利用具有內(nèi)標化合物的譜峰或者預(yù)定化合物的特征譜峰對各個核磁共振譜圖進行初步校準；將預(yù)定選取的核磁共振譜圖作為參考譜圖并劃分為若干個固定區(qū)間，在各個固定區(qū)間內(nèi)對待校準的核磁共振譜圖進行校準；將每個核磁共振譜圖在各個固定區(qū)間內(nèi)校正后譜圖進行整合。本發(fā)明適用性廣幾乎適應(yīng)于所有的核磁共振譜圖數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理簡單；算法更快。
【專利說明】一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像處理方法，尤其是涉及到一種自動譜峰對齊方法，幾乎適用 于所有液體核磁共振波譜譜圖位移校準，同時可以實現(xiàn)譜峰變量的快速提取。該方法適應(yīng) 于對一組平行的核磁共振波譜數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和信息提取等。

【背景技術(shù)】
[0002] 理想情況下，核磁共振波譜儀采集到的波譜數(shù)據(jù)應(yīng)該具有一致的化學(xué)位移以及穩(wěn) 定的基線。在實際分析過程中，由于受到待測樣品的pH值、離子濃度，以及在采樣過程中 磁場的均一性和實驗溫度等客觀因素的影響，譜峰經(jīng)常會產(chǎn)生不可預(yù)測的漂移，而且很多 因素是不可克服的。因此，譜峰位移校準是核磁共振波譜數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟?，F(xiàn)已有一 些譜峰校準的方法，例如：相關(guān)優(yōu)化解纏法（correlationoptimizedwarping，COW)、多尺 度譜峰對齊法（multi-scalepeakalignment，MSPA)、高斯平滑譜峰對齊算法（Gaussian smoothing，GPA)等，但這些算法的普適性有限，且操作復(fù)雜，不適用于一般研宄人員。因此， 我們研宄出一種簡單高效的譜峰對齊算法，可以實現(xiàn)核磁共振波譜譜峰基線自動批量對齊 以及譜峰變量的快速提取等。
[0003] 另外，高通量數(shù)據(jù)分析已成為當代科技發(fā)展的必然趨勢，因此對平行的核磁共振 波譜數(shù)據(jù)的變量提取也成為影響科研效率的關(guān)鍵性因素。在高通量核磁數(shù)據(jù)分析過程中， 常用的兩種變量提取方法：分段積分法和目標性分析法。其中分段積分法就是把核磁譜圖 分成若干等份，把每等分的積分面積作為統(tǒng)計分析變量，降低了大批樣本分析對分析人員 的要求，簡化了數(shù)據(jù)。但是該方法，犧牲了數(shù)據(jù)的分辨率，且不一定存在生物學(xué)意義。目標 性分析方法有效的解決了這個問題，該方法基于數(shù)據(jù)庫比對，選擇譜圖內(nèi)所有的目標化合 物作為分析變量，但是該方法需要分析工作者具有較強的核磁背景知識，且譜圖分析過于 耗時！因此，在譜峰對齊的基礎(chǔ)上挑選譜峰將會作為一個不錯的選擇。因此，該發(fā)明同時提 供一種快速譜峰識別及提取的方法。
[0004] 該方法在一定程度上為核磁數(shù)據(jù)批量快速分析，減少核磁結(jié)果分析的工作量及對 譜峰信號的深度挖掘和分析提供了有力的工具。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供了一種簡單易懂，快速高效的譜峰對 齊方法，同時將核磁共振譜圖所有譜峰進行集中提取，為后續(xù)統(tǒng)計學(xué)分析提供變量。該方法 雖然是基于Matlab軟件進行開發(fā)的，但是對于使用者的編程能力沒有要求。當然，若使用 者具有一定的編程能力，也可以對該方法進行深層次的挖掘。該發(fā)明幾乎可以適用于所有 的批量核磁共振譜圖，且校正結(jié)果優(yōu)于已發(fā)表的方法，結(jié)果準確，且具有一定的拓展性。
[0006] 本發(fā)明主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：
[0007] -種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1、讀取各個核磁共振譜圖；
[0009] 步驟2、利用具有內(nèi)標化合物的譜峰或者預(yù)定化合物的特征譜峰對各個核磁共振 譜圖進行初步校準；
[0010] 步驟3、將預(yù)定選取的核磁共振譜圖作為參考譜圖并劃分為若干個固定區(qū)間，在各 個固定區(qū)間內(nèi)對待校準的核磁共振譜圖進行校準；
[0011] 步驟4、將每個核磁共振譜圖在各個固定區(qū)間內(nèi)校正后譜圖進行整合。
[0012] 如上所述的步驟3包括以下步驟：
[0013] 步驟3. 1、選取預(yù)定的核磁共振譜圖作為參考譜圖，將參考譜圖劃分為若干個固定 區(qū)間，選定其中一個固定區(qū)間作為當前校準固定區(qū)間；
[0014] 步驟3. 2、求取當前校準固定區(qū)間內(nèi)的譜峰最大值Ymax，同時確定譜峰最大值Ymax 所對應(yīng)的化學(xué)位移，選取當前待校準的核磁共振譜圖；
[0015] 步驟3.3、預(yù)定搜索區(qū)間[6^-八6'，6#+八6']，在當前待校準的核磁共振譜 圖的搜索區(qū)間[SMf-AS'，Sraf+AS']內(nèi)尋找譜峰的所有峰值Ypl，…，Ypn，確定當前待校 準的核磁共振譜圖中與各個峰值相對應(yīng)的化學(xué)位移，即Spl，…，Spn;pn為當前待校準的核 磁共振譜圖在搜索區(qū)間的譜峰個數(shù)；
[0016] 步驟3. 4、保持當前待校準的核磁共振譜圖的譜形不變，將當前待校準的核磁共振 譜圖在搜索區(qū)間中的各個尋找到的峰值分別平移到化學(xué)位移S處，依次分別計算平移到 后的當前待校準的核磁共振譜圖與參考譜圖在當前校準固定區(qū)間內(nèi)的相關(guān)系數(shù)Rpx，其 中px=pi?pn;
[0017] 步驟3. 5、尋找在當前校準固定區(qū)間內(nèi)相關(guān)系數(shù)Rpx的最大的相關(guān)系數(shù)Rmax，與Rmax 相對應(yīng)的譜峰的化學(xué)位移為Smaxl，然后平移當前待校準的核磁共振譜圖Smaxl-SMf化學(xué)位 移，截取平移后的當前待校準的核磁共振譜圖在當前校準固定區(qū)間內(nèi)的全部譜峰信號；
[0018] 步驟3. 6、選取下一個待校準的核磁共振譜圖的作為當前待校準的核磁共振譜圖 并返回步驟3. 3直至所有的待校準的核磁共振譜圖在當前校準固定區(qū)間內(nèi)校準完畢；
[0019] 步驟3. 7、保存當前校準固定區(qū)間的所有核磁共振譜圖；
[0020] 步驟3. 8、選取下一個固定區(qū)間作為當前校準固定區(qū)間并返回步驟3. 2,直至所有 固定區(qū)間校準完畢。
[0021] 如上所述的步驟3. 3中尋找譜峰的判斷依據(jù)為：f(spn)>f(Spiri)，同時 f(Spn)>f(Spn+1)，化學(xué)位移6pn對應(yīng)的即為譜峰，f(S 分別表示化 學(xué)位移Spn、Spn+1處的核磁共振波譜的信號強度。
[0022] 一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，還包括譜峰變量提取步驟：
[0023] 步驟5、確定噪聲YnQise;
[0024] 步驟6、尋找參考譜圖的譜峰的最高值Ymaxl，
[0025] 若Ymaxl>YMise，則譜峰的最高值Ymaxl作為譜峰變量，Smaxl為譜峰的最高值Ymaxl所 對應(yīng)的化學(xué)位移，否則終止挑選譜峰變量，進入步驟9 ;
[0026] 步驟7 :尋找譜峰區(qū)間，在Smaxl前后尋找波谷，前/后波谷之間的區(qū)間即為譜峰變 量所對應(yīng)的譜峰的區(qū)間[S maxlA' 3 maxlB];
[0027] 步驟8、將參考譜圖在[S_1A，S_1B]內(nèi)的數(shù)值去除，返回步驟6 ;
[0028] 步驟9 :挑選出參考譜圖所有的譜峰變量后按照化學(xué)位移對譜峰變量進行排序， 若譜峰變量對應(yīng)的譜峰的區(qū)間的絕對值大于預(yù)定值，則將對應(yīng)的譜峰變量刪除。
[0029] 如上所述的前/后波谷的搜索包括以下步驟：以化學(xué)位移Smaxl為中心向譜圖兩 側(cè)搜索譜值變大的前拐點和后拐點，前拐點和后拐點即分別為前波谷和后波谷。
[0030] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
[0031] (1)適用性廣：本方法對核磁共振譜圖中的譜峰信號沒有特殊要求，適應(yīng)性更廣， 幾乎適應(yīng)于所有的核磁共振譜圖數(shù)據(jù)處理；
[0032] (2)原理簡單易懂：本發(fā)明在不改變譜峰性質(zhì)的情況下，只對譜峰進行簡單漂移 處理，使用者不需要具有很強的核磁背景和編程能力。
[0033] (3)數(shù)據(jù)處理簡單：處理結(jié)果直接導(dǎo)入Excel文件中，供研宄人員使用；
[0034] (4)可拓展性：該算法是基于matlab程序進行編譯的，使用者若具有一定的編程 基礎(chǔ)，即可以在此基礎(chǔ)上對核磁共振譜圖進行其他圖形處理或數(shù)據(jù)分析。
[0035] (5)算法的優(yōu)勢更為明顯：與現(xiàn)有算法相比，以文獻報道（見圖（1))的包括紅、 白和桃紅三種葡萄酒共40個樣品的 1H-NMR譜圖片斷（化學(xué)位移0. 5-6. 0)，每張譜圖8712 個數(shù)據(jù)點。針對于該組數(shù)據(jù)，三種文獻報道方法所得到的平均相關(guān)系數(shù)為：COW(0. 98)， MSPA(0. 91)，GPA(0. 98)，該算法則將譜峰相關(guān)系數(shù)提高至0. 99。運行時間則由文獻報道得 最快62秒提高到1秒左右。。具體數(shù)據(jù)分析在后面舉例中，進行詳細說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0037] 圖2是紅、白和桃紅三種葡萄酒中乳酸的核磁共振信號校準前（A)后（B)對比圖；
[0038] 圖3是紅、白和桃紅三種葡萄酒共40個樣品的1H-NMR譜圖片斷用目前算法對齊 前后的相關(guān)譜圖。（A):對齊前；(B):對齊后

【具體實施方式】
[0039] 下面通過實例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的操作，作進一步具體的說明。
[0040] 實施例1 :
[0041] 一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，包括以下步驟：
[0042] 譜峰校準：
[0043] 步驟1 :讀取各個核磁共振譜圖，優(yōu)選經(jīng)過相位校正和基線調(diào)整后的核磁共振譜 圖；
[0044] 步驟2 :選取核磁共振譜圖內(nèi)標化合物（內(nèi)標化合物為已知濃度和已知化學(xué)位移 的添加物）的化學(xué)位移8,對步驟1讀取的批量譜圖的化學(xué)位移進行初步校準。
[0045] 選取方法一般選擇具有內(nèi)標化合物的譜峰的化學(xué)位移作為基準Ss(例如 TMSP-Oppm或者Formate-8. 46ppm)。
[0046] 在沒有內(nèi)標化合物的時候，需要選取預(yù)定化合物的特征譜峰的化學(xué)位移作為初次 校準的基準Ss (例如大腦組織樣品提取物中的NAA-2. 02ppm)。
[0047] 校準方法如下所述：(A):選擇當前需校正的譜圖在設(shè)定區(qū)間（Ss-AS? 6 s+A6 )的譜峰最大值Ymax=max(f: ( 8 )......( 5』)），( 6 )表示在6 4的譜峰強 度。確定譜峰最大值Y_所對應(yīng)的化學(xué)位移為S_值，即S_=廠^_)。當前需校正的 譜圖的新的化學(xué)位移即為Snew=S\ld為校正前譜圖的化學(xué)位移。這樣 所有的核磁共振譜圖完成了初次校準。
[0048] 步驟3 :固定區(qū)域內(nèi)譜峰校準。測試樣品內(nèi)的成分較為復(fù)雜，受外界環(huán)境的影響 具有不可預(yù)見性。因此，該方法中，實驗者采取將預(yù)定的一個核磁共振譜圖作為參考譜圖， 并將參考譜圖劃分為若干個固定區(qū)間，在各個固定區(qū)間內(nèi)對待校準的核磁共振譜圖進行校 準；以譜峰相關(guān)系數(shù)R的大小對校準的效果進行評價。區(qū)間的劃分原則以譜峰相關(guān)系數(shù)R 和基線調(diào)整結(jié)果為準。
[0049] 兩個核磁共振譜圖的相關(guān)系數(shù)R的計算方法如下所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，包括以下步驟： 步驟1、讀取各個核磁共振譜圖； 步驟2、利用具有內(nèi)標化合物的譜峰或者預(yù)定化合物的特征譜峰對各個核磁共振譜圖 進行初步校準； 步驟3、將預(yù)定選取的核磁共振譜圖作為參考譜圖并劃分為若干個固定區(qū)間，在各個固 定區(qū)間內(nèi)對待校準的核磁共振譜圖進行校準； 步驟4、將每個核磁共振譜圖在各個固定區(qū)間內(nèi)校正后譜圖進行整合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，其特征在于， 所述的步驟3包括以下步驟： 步驟3. 1、選取預(yù)定的核磁共振譜圖作為參考譜圖，將參考譜圖劃分為若干個固定區(qū) 間，選定其中一個固定區(qū)間作為當前校準固定區(qū)間； 步驟3. 2、求取當前校準固定區(qū)間內(nèi)的譜峰最大值Y_，同時確定譜峰最大值Y_所對 應(yīng)的化學(xué)位移SMf，選取當前待校準的核磁共振譜圖； 步驟3.3、預(yù)定搜索區(qū)間[6@-八6'，6#+八6']，在當前待校準的核磁共振譜圖的 搜索區(qū)間[SMf-A S '，SMf+A S ']內(nèi)尋找譜峰的所有峰值YP1，…，Ypn，確定當前待校準的 核磁共振譜圖中與各個峰值相對應(yīng)的化學(xué)位移，即Spl，…，Spn;pn為當前待校準的核磁共 振譜圖在搜索區(qū)間的譜峰個數(shù)； 步驟3. 4、保持當前待校準的核磁共振譜圖的譜形不變，將當前待校準的核磁共振譜圖 在搜索區(qū)間中的各個尋找到的峰值分別平移到化學(xué)位移處，依次分別計算平移到S 后的當前待校準的核磁共振譜圖與參考譜圖在當前校準固定區(qū)間內(nèi)的相關(guān)系數(shù)Rpx，其中 px = pl ?pn ; 步驟3. 5、尋找在當前校準固定區(qū)間內(nèi)相關(guān)系數(shù)Rpx的最大的相關(guān)系數(shù)R_，與R_相對 應(yīng)的譜峰的化學(xué)位移為Smaxl，然后平移當前待校準的核磁共振譜圖Smaxl-SMf化學(xué)位移， 截取平移后的當前待校準的核磁共振譜圖在當前校準固定區(qū)間內(nèi)的全部譜峰信號； 步驟3. 6、選取下一個待校準的核磁共振譜圖的作為當前待校準的核磁共振譜圖并返 回步驟3. 3直至所有的待校準的核磁共振譜圖在當前校準固定區(qū)間內(nèi)校準完畢； 步驟3. 7、保存當前校準固定區(qū)間的所有核磁共振譜圖； 步驟3. 8、選取下一個固定區(qū)間作為當前校準固定區(qū)間并返回步驟3. 2,直至所有固定 區(qū)間校準完畢。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，其特征在于， 所述的步驟3. 3中尋找譜峰的判斷依據(jù)為：f ( S pn) >f ( S piri)，同時f ( S pn) >f ( S pn+1)，化學(xué) 位移Spn對應(yīng)的即為譜峰，f(S 分別表示化學(xué)位移Spn、Spn+1 處的核磁共振波譜的信號強度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，其特征在于， 還包括譜峰變量提取步驟： 步驟5、確定噪聲Ymise; 步驟6、尋找參考譜圖的譜峰的最高值Ymaxl， 若Ymaxl>YMiS6，則譜峰的最高值Ymaxl作為譜峰變量，S ^為譜峰的最高值Y對應(yīng)的 化學(xué)位移，否則終止挑選譜峰變量，進入步驟9 ; 步驟7 :尋找譜峰區(qū)間，在Smaxl前后尋找波谷，前/后波谷之間的區(qū)間即為譜峰變量所 對應(yīng)的譜峰的區(qū)間[S maxlA' 3 maxlB]; 步驟8、將參考譜圖在[S_1A，S_1B]內(nèi)的數(shù)值去除，返回步驟6; 步驟9 :挑選出參考譜圖所有的譜峰變量后按照化學(xué)位移對譜峰變量進行排序，若譜 峰變量對應(yīng)的譜峰的區(qū)間的絕對值大于預(yù)定值，則將對應(yīng)的譜峰變量刪除。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種核磁共振波譜譜峰對齊及譜峰提取方法，其特征在于， 所述的前/后波谷的搜索包括以下步驟：以化學(xué)位移Smaxl為中心向譜圖兩側(cè)搜索譜值變 大的前拐點和后拐點，前拐點和后拐點即分別為前波谷和后波谷。
【文檔編號】G01R33/54GK104458785SQ201410764523
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】王杰, 程吉, 徐富強 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所